[论文解读] Texture in the Superconducting Order Parameter of CeCoIn_5 Revealed by Nuclear Magnetic Resonance

Kakuyanagi, K., Saito, M.+5 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2004

Rare-earth and actinide compounds被引用 3

一句话总结

本研究通过¹¹⁵In核磁共振（NMR）首次提供了重费米子超导体CeCoIn₅中Fulde-Ferrel-Larkin-Ovchinnikov（FFLO）态的微观证据。在T*(H)以下，出现一个新的更高频率的NMR共振峰，表明存在空间调制的超导序参量和局域的准粒子态，其谱学演化与序参量波长振荡且随温度降低而减小的FFLO态一致。

ABSTRACT

We present a ^{115}In NMR study of the quasi two-dimensional heavy-fermion superconductor CeCoIn_5 believed to host a Fulde-Ferrel-Larkin-Ovchinnkov (FFLO) state. In the vicinity of the upper critical field and with a magnetic field applied parallel to the ab-plane, the NMR spectrum exhibits a dramatic change below T*(H) which well coincides with the position of reported anomalies in specific heat and ultrasound velocity. We argue that our results provide the first microscopic evidence for the occurrence of a spatially modulated superconducting order parameter expected in a FFLO state. The NMR spectrum also implies an anomalous electronic structure of vortex cores.

研究动机与目标

• 为在高磁场下CeCoIn₅中存在空间非均匀超导态提供直接的微观证据。
• 研究在Hc₂∥ab附近高场超导相中低于T*(H)的准粒子激发谱。
• 确定观测到的NMR谱学变化是否与所提出的FFLO态及涡旋核心异常相关。
• 探测CeCoIn₅中涡旋核心的电子结构，与常规超导体进行对比。

提出的方法

• 在磁场平行于ab面、接近Hc₂∥ab的单晶CeCoIn₅上进行¹¹⁵In NMR测量。
• 在略低于Hc₂∥ab的磁场下测量超导态中的温度依赖NMR谱，重点关注T*(H)以下区域。
• 使用具有空间振荡序参量（q ∼ 2μBH/ℏvF）的d波超导体理论模型模拟NMR谱。
• 通过引入相干长度与调制波矢之比（Λ/λ）和T/Δ₀的公式拟合实验NMR谱，并采用洛伦兹线型展宽以考虑非均匀性效应。
• 通过Knight位移和线型分析推断超导态中准粒子密度及空间非均匀性。
• 将谱学特征与FFLO态及常规超导体的预测进行对比，识别涡旋核心结构的偏离。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Hc₂∥ab附近，CeCoIn₅的NMR谱是否显示出FFLO态所预测的空间调制超导序参量的特征？
• RQ2 在H*(H)以下的高场超导相中，准粒子激发的性质是什么，与常规超导体有何不同？
• RQ3 基于NMR线型和Knight位移，CeCoIn₅中的涡旋核心结构与常规超导体相比有何差异？
• RQ4 观测到的随温度变化的谱学演化是否与d波超导体中FFLO态的理论预期一致？
• RQ5 强电子关联和反铁磁涨落对涡旋核心及准粒子谱的形成起何作用？

主要发现

• 在T*(H)以下，一个新的更高频率NMR共振峰出现，表明在超导态内部形成了一个独特的类正常准粒子区域。
• 温度依赖的NMR谱演化可通过假设序参量具有空间振荡（波矢q ∼ 2μBH/ℏvF）的模型良好拟合，与FFLO态一致。
• 比值Λ/λ（相干长度与调制波矢之比）从240 mK时的4.7增加到260 mK时的7.5，表明随着温度降低，序参量振荡的空间周期减小。
• 较高频率NMR峰的强度表明，新形成的类正常准粒子片层仅占据约百分之几的体积，表明其空间局域化。
• 两个明显分离的NMR峰表明，平面节点附近的准粒子激发是空间局域的，暗示序参量具有类似Bloch墙或矩形的空间依赖性，而非正弦振荡。
• 涡旋核心结构异常：核心内Knight位移偏离正常态值，表明存在与常规超导体不同的电子态，可能源于强反铁磁关联及准粒子态密度降低。